准气体动力循环Power MEMS气体静压轴承

为追求微细尺度条件下超高能量密度的目标,提出了Power MEMS准气体动力循环发动机的概念.鉴于Power MEMS准气体动力循环发动机能够自行提供高压气源的结构特征以及气体静压轴承在性能上的优点,提出了将气体静压轴承应用于该Power MEMS发动机的研究和Power MEMS准气体动力循环发动机中气体静压径向轴承和止推轴承的结构形式的选择,指出了微细尺度下气体静压轴承的设计要点;运用气体静压润滑的基本原理对气体轴承的结构及运行参数进行了分析,获取了径向轴承和止推轴承的参数设计;通过气体轴承静态性能的计算,从承载能力方面验证了将所设计的气体轴承应用于Power MEMS准气体动力循环发动机中的可行性.     

缸内直喷灵活燃料发动机燃烧特性的研究

根据实测示功图,计算了发动机的燃烧放热规律,并系统分析了一台采用火花点火、缸内直喷、周向分层的燃烧系统灵活燃用甲醇、乙醇和汽油时发动机的燃烧特性.研究表明,缸内直喷灵活燃料发动机在燃烧过程中预混燃烧与扩散燃烧并存,燃烧循环变动小于6%;具有非常快的燃烧速率,上止点后曲轴转角为3°～6°时就可燃烧完50%的燃料,燃烧持续期在28°～37°曲轴转角范围内;甲醇的燃烧速率最快,汽油的燃烧速率在低负荷时比乙醇稍快,在高负荷时比乙醇慢.     

合成气纯氧高压预混湍流火焰结构研究

为了理解高压下合成气纯氧预混湍流火焰中火焰与流动的耦合作用,利用OH-PLIF激光测量技术开展了高压条件下合成气纯氧预混湍流火焰结构研究,获得了高压下预混湍流火焰前锋面结构,得到了火焰前锋面尺度信息,包括火焰体积、火焰面密度和火焰前锋面尺度,并分析了预混湍流火焰前锋面与湍流尺度和层流火焰尺度的相互作用关系.研究结果表明:高压预混湍流火焰前锋面为褶皱火焰面结构,火焰面为小尺度的尖峰结构和大尺度的树干状结构互相叠加;合成气火焰前锋面结构比甲烷混合气火焰更加精细,尺度更小;合成气预混湍流火焰体积较小,放热区较小,在预混贫燃燃气轮机燃烧室中容易产生燃烧振荡;合成气和甲烷火焰在湍流燃烧速率上表现出不同的转折规律,这可以通过火焰前锋面尺度和火焰自身不稳定性尺度来解释;湍流流动对火焰前锋面的扰动受到火焰自身不稳定尺度的限制.     

微型涡轮发动机设计与制造的若干关键技术

分析了微型涡轮发动机不同于宏观尺度的流动和燃烧特性(低雷诺数Re、高马赫数M、高库埃特Couette数和低毕渥Biot数的流动，极小空间超高燃烧负荷率的燃烧)。提出了在微尺度和超高转速条件下，传统的流体动力润滑理论所存在的局限性；研究了利用边界滑移实现微尺度条件下气体动力润滑轴承实现超高转速的可性。基于碳化硅材料在MEMS高温高强度条件下的应用前景，提出将硅基蚀刻与传统的碳化硅反应烧结和磨削加工等工艺进行结合，实现微型涡轮发动机碳化硅材料微细结构的机械加工。     

微内燃机点火和燃烧中微尺寸效应的研究

从设计的微小空间燃烧室中，观察微燃烧通道中氢气／空气预混气体的燃烧现象，当空间尺寸从厘米级减小到毫米级时，点火和燃烧的不同特征会导致氢气的着火浓度界限变小，使得燃烧不稳定、不充分，极易造成淬熄．因此，提出了选用淬熄距离小、反应速度快、最小点火能小的气体作燃料，采取催化反应、增压和绝缘等措施促进微小空间内的点火和燃烧．通过分析微小空间对制备微型内燃机内平板电容点火器的限制，表明采用蒸发工艺制备的电极厚度小，因此增加电镀工艺，可使电极厚度达到4μm，明显提高了电容的单次放电能量．     

甲烷/空气燃烧简化机理及其应用

为了找到适合活塞式发动机甲烷燃烧的化学反应动力学简化机理,从甲烷燃烧详细化学动力学机理出发,利用敏感性分析法,分析了包括多个不同组分的22步、39步、51步和58步基元反应的4种不同简化机理,并根据活塞式发动机的燃烧特点,将这4种简化机理应用于均匀搅拌反应器模型内甲烷/空气预混燃烧过程的计算中。研究结果表明:与详细反应机理的计算结果相比,当采用较少步数的22步基元反应的简化机理时,计算得到的燃烧温度结果误差较大,且出现明显的峰值后移现象,计算误差最大可达到12.5%。但随着采用基元反应简化机理的步数增加,这些误差明显减小。当采用58步基元反应的简化机理时,计算得到的出口温度和主要组分物质的量浓度随当量比变化的结果,与详细反应机理计算得到的结果基本吻合,最大误差不超过1%。这说明58步的基元反应简化机理包括了主要的反应式,计算结果具有足够的精度,可以很好地预测甲烷/空气预混燃烧现象。     

表面粗糙度对微尺度火焰淬熄的影响

在对不锈钢片、铝片、单晶硅以及氧化锆板等材料表面上进行化学和物理的处理,形成不同的表面粗燥度.使用这些不同表面粗糙度的平板制作缝隙燃烧室壁面.在缝隙燃烧器的两个平行板之间.使用预混甲烷/空气火焰进行燃烧实验,考察在微小空间里,表面粗糙度对火焰淬熄的影响.结果显示表面粗糙度的增加,火焰淬熄距离变小,有利于微尺度燃烧器的稳...     

不同喷油正时的柴油机PCCI燃烧过程数值模拟

应用CFD软件对采用预喷-预喷-主喷喷油策略的单缸增压柴油机燃烧过程进行数值模拟,分析不同喷油正时方案对燃烧过程及NO和soot排放物生成历程的影响.结果表明:随着喷油时刻推迟,缸内压力逐渐降低,主放热峰下降且不断远离上止点,预混燃烧比例增加,缸内低温PCCI燃烧模式更加明显;放热率10%(q10)时刻以稀预混燃烧为主,soot生成量减少,但因预混放热快而使NO生成量增多,缸内整体的低温效应使q90时刻NO生成量降低,soot生成量先增加后又因燃烧空间扩大及预混燃烧比例增加而下降;柴油机低温PCCI燃烧模式可实现NO与soot排放兼顾控制.     

燃烧火球浮力涡环实验与数值模拟

为了研究爆炸及燃烧产生的"蘑菇状"烟团的产生机理,在实验室中通过点燃预混过量乙烯和氧气的气泡,产生瞬时燃烧的火球和烟团。纹影法和高速CCD相机直接拍摄法显示瞬时燃烧火球上升时,迅速形成一具有涡环结构的烟团。采用中尺度气象模式RAM S模拟计算相同尺度加热烟团的流动过程。计算机模拟显示产生涡环形状的烟团现象与初始烟团的形状无关,与初始热源温升也无关。浮力涡环产生的机理应是流体的斜压性,即在有重力的条件下浮力的水平差别造成的涡度生成;涡度生成应在轻流体与环境流体相交的侧边界附近。     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

基于3D MAX的内燃机工作循环演示动画制作

基于3DStudioMAX三维动画设计软件,制作了内燃机工作循环的演示动画,介绍了实体制作、场景制作和动画制作过程.实际应用表明,演示动画能直观地表现内燃机主要运动件的实际工作、气缸内的燃烧和进排气的流动等情况,可以通俗、形象及生动地描述内燃机实际工作循环的情况.     

天然气掺氢火花点火式发动机排放性能研究

在一台天然气掺氢的火花点火发动机上,研究了掺氢比和过量空气系数对发动机排放性能的影响.结果表明,在掺氢比一定时,过量空气系数对 HC、CO、Nox 和 CO2排放有较大的影响.在相同过量空气系数下,随着掺氢比的增加,HC 排放量有所降低,特别是稀燃下的 HC 排放量大幅降低.Nox排放量随掺氢比的增加而增加,而 CO2排放量随掺氢比的增加而减少.掺氢后,发动机的稀燃极限有所提高,稀燃条件下发动机的HC、CO、CO2 和 Nox的排放量比较低.     

天然气掺氢火花点火发动机性能与排放研究

在一台燃用CNG／H2混合燃料的火花点火发动机上，开发了一个电子控制单元（ECU）来控制发动机点火提前角和混合气浓度，并研究了不同掺氢比（氢气的体积分数分别为0%、10％、20％和26％）对发动机性能和排放的影响．研究结果表明：天然气掺氢后发动机功率和有效热效率有所降低；在相同过量空气系数下，随着掺氢比的增加，发动机的最佳点火提前角推迟，HC、CO2排放得到降低，NOx排放有所增加．掺氢后可以提高发动机的稀燃极限，在稀燃下可以得到较低的HC、CO、CO2和NOx排放。     

运行参数对微型内燃机微燃烧特性影响机理分析

微型内燃机微燃烧过程对当量比和转速变化非常敏感,采用层流有限速率模型和甲醇氧化反应机理对其预混层流微燃烧过程开展仿真研究,探讨当量比和转速对微燃烧特性的影响规律及临界运行参数。在此基础上,提出采用热着火理论和化学反应动力学理论探索当量比对微燃烧特性的影响机理。结果表明仿真与实验比较吻合。当量比从0.6增加到1.1时,燃烧速率增加,压力和温度增加,压力最高值增加约1.5E+6Pa,温度最大值增加约1 300K,此后随当量比增加,燃烧速率减小,压力和温度减小。研究还进一步揭示了当量比影响微燃烧特性的机理:稀燃区当量比主要通过温度变化来影响微燃烧特性,随当量比增加,燃料浓度增加,燃烧释放的总热量增加,所以温度和压力增加,燃烧速率增加;浓燃区当量比主要通过氧气量变化来影响微燃烧特性,当量比越大,氧气量越不足,基元反应速率越小,所以燃烧速率越小,温度和压力越低。转速越高,燃烧时间越短,燃烧越不充分,所以温度、压力越低。受微燃烧相对热损大、驻留时间短的特征影响,微型发动机实现完全燃烧的运行区域较窄,其实现完全燃烧的稀燃极限约0.9,最高转速约6 000r/min。这在设计微型内燃机时值得关注。     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

基于有机朗肯循环的内燃机余热回收系统准动态模拟

作为一种有效的提高内燃机整体热功转化效率的技术手段,基于有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)的内燃机余热回收技术受到越来越多的关注。通常来讲,组织合理的ORC的最关键的技术在于选择合理的循环工质和合适的膨胀机。对于车用内燃机余热回收,同时需要考虑内燃机的运行工况以及由此带来的烟气流量和温度的变化,以对余热回收系统进行有效的控制,达到最佳的工作效率。采用数值模拟的方法对内燃机排气进行余热回收,在不同软件环境下建立一维详细内燃机子模型和有机朗肯理想循环子模型,并将其进行耦合,达到根据内燃机工况变化进行准动态模拟的要求。通过对水,R123a和R245fa三种不同循环工质的考察发现,利用水作为循环工质具有最高的热效率,然而由于水是湿工质,大多情况下不能产生过热蒸汽,因而不适于作为余热回收的工质。对于两种有机制冷剂,R245fa比R123a具有更高的循环效率。通过对WHSC循环准动态模拟显示,需要对ORC的工质流量根据内燃机工况进行控制。通过目前较简单的控制,循环总效率可提高8.1%。     

废气再循环对均质压燃发动机燃烧的影响

摘要：
废气再循环(EGR)技术对多缸均质混合气压燃(HCCI)发动机的燃烧有着重要影响.文中在优化热管理技术(OKP)型HCCI发动机上对EGR进行了实验研究.结果表明：EGR在OKP型HCCI发动机中可以推迟燃烧相位,降低燃烧速率,可以用于负荷的拓展;不同负荷下采取合适的EGR比例,可以提高平均指示压力;多缸发动机各缸存在固有差异,进气温度的差异导致各缸循环变动有差异;随着废气再循环率的升高,多缸的循环变动增加,各缸的循环变动差异进一步增大. 关键词：
汽油机; 均质混合气压燃; 废气再循环; 循环变动; 缸间循环波动 中图分类号： TK 411
文献标志码： A     

Novel Micro Free-Piston Swing Engine and Its Feasibility Validation

To develop high energy-density micro power generation systems, a novel two-stroke cycle micro free-piston swing engine (MFPSE), inspired by the concept of the micro internal combustion swing engine, is proposed to supply mechanical power for a micro power generation system. The working principle, gas exchange and ignition timing control cycles, and structure and operation advantages of the MFPSE are discussed in detail. A prototype where the timing control and geometric parameters are designed with reference to a traditional two-stroke cycle internal combustion engine is fabricated. The successful ignition experiment shows that this new concept engine is feasible and is worthy of further study.